Ne glede na to, ali gre za medicinsko tehnologijo, telekomunikacije ali letalstvo in vesolje: v mnogih industrijskih panogah narašča povpraševanje po visokozmogljivih laserjih. Pri tem so uporabnikom pomembni ekonomičnost in stabilnost sistemov. Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo ILT je dosegel pomembne napredke pri razvoju učinkovitih in stabilnih visokozmogljivih diodnih laserjev. V bistvu je prenesel pisanje vlaknasto-Braggovih mrež iz sveta vlaknarskih laserjev na diodne laserje. Dr. Sarah Klein je postopek razvila v okviru svoje doktorske disertacije in nedavno osvojila 3. mesto na priznanem Hugo-Geigerjevem nagradi.
S pomočjo Faser-Bragg mrež (FBG) je mogoče bistveno zmanjšati kompleksnost sistemov vlakenskih laserjev. Ko so optične mreže neposredno vpisane v vlakno, lahko nadomestijo zunanje resonančne zrcala. S tem odpade zahtevno nastavljanje zrcal. Medtem ko se kompleksnost sistema, dovzetnost za motnje in stroški z neposredno integracijo vlakna zmanjšujejo, se povečuje briljantnost emitirane laserske svetlobe.
Koncept za integracijo vlaken
Postopek za vnos FBG v notranjost optičnih vlaken s premerom jedra šest mikrometrov, ki je bil vzpostavljen za enomodejna vlakna, je bil pod pomembnim vplivom Fraunhofer ILT že leta 2019 nadalje razvit v okviru BMBF podpornega projekta EKOLAS. Pod koordinacijo podjetja Laserline je konzorcij uspel zapisati vlaknaste Braggove mreže s pomočjo UKP laserjev tudi v kvarčnih vlaknih s premerom jedra 100 mikrometrov: Material se pod vplivom ultrakratkih laserskih pulzov kratko stopi, zelo hitro ohladi in spremeni svoje optične lastnosti v tako obdelanih volumnah. Vnesena struktura temelji na za to zasnovanem interferenčnem vzorcu prekrivajočih se svetlobnih valov.
Eden samoten FBG s premerom 100 mikrometrov zadostuje za prenos prej zunanjih resonatorskih ogledal v vlakno in za optimizacijo multimodalnih vlaknasteh laserjev na več načinov. To metodo, ki jo je dodatno razvila dr. Sarah Klein, je raziskovalka Fraunhofer v okviru svojega doktorskega dela prenesla tudi na vlaknasto povezan diode laser in je bila za svoje raziskovalno delo 19. februarja 2025 nagrajena s 3. mestom prestižne nagrade Hugo-Geiger, ki jo vsako leto podeljujeta svobodna država Bavarska in družba Fraunhofer.
Enaka zasnova – nova cilja
V svojem delu se je Klein poleg multimodnih vlakninskih laserjev ukvarjal tudi z optimizacijo diodnih laserjev, ki so potrebni za pumpanje trdnih laserjev. To spreminja cilje. Kajti drugače kot pri vlakninskih laserjih FBG v tej aplikaciji služijo za izboljšanje spektralnih lastnosti sevanja diodnih laserjev. Ozadje: Da bi pri optičnem pumpanju dvignili energijski nivo laseraktivnega medija, ga vzburimo s specifično valovno dolžino. Le tako lahko medij to sevanje optimalno absorbira.
Toda diodni laserji oddajajo širokopasovno. Zato je raziskovalka razvila koncept, ki omogoča ciljno zmanjšanje pasovne širine in stabilizacijo valovne dolžine laserskega sevanja. Osrednjega pomena za ta pristop je ponovno neposredno vpisano vlaknasto Braggovo mrežo. To zagotavlja, da uporabljeni visoko zmogljivi diodni laserji oddajajo le želeno valovno dolžino. Ta povečana briljantnost naredi vnos energije v trdno telo laserja mnogo bolj učinkovit in s tem cenejši. Ogromna prednost za industrijske aplikacije, kjer postajata ekonomičnost in energetska učinkovitost vedno pomembnejši!
Kompleksna integracija
Razvoj postopka je Klein pospešila v okviru lastnega projekta Fraunhoferjeve družbe. Tudi tukaj je bilo, tako kot v projektu EKOLAS, treba zapisati optične rešetke v multimodalna vlakna, ki se uporabljajo kot valovni vodniki za diodne laserje. "Običajno gre v laserski tehniki za miniaturizacijo. V mojem raziskovalnem delu je bilo ravno obratno," pojasnjuje. Iz šestih mikrometrov premera jedra je morala UKP-postopek prenesti na do 100 mikrometrov. Težava je bila v podrobnostih: tako je bilo brezhibno in natančno povezovanje segmentov FBG izjemno zapleteno. Tudi upravljanje z energijo je bilo zelo zahtevno. Da bi lahko v enem koraku zapisala številne rešetke v bistveno večja multimodalna vlakna, bi teoretično morala pomnožiti vnos energije. Vendar ta različica ni prišla v poštev.
Klein je obvladala izziv, tako da je v več procesih osvetlitve povezala več kot ducat FBG, ki so merili le šest mikrometrov. Pri tem je bilo ključno delati brezšivno. »Postopek pisanja bi bil pri kvadratni jedrni geometriji bistveno lažji,« poroča. Vpisovanje FBG do skrajnih robov je bilo v zahtevani natančnosti izjemno zapleteno. Vendar pa je bila ta brezhibna natančnost nujna za maksimalno reflektivnost mreže za učinkovito zgradbo resonatorja vlakenskega laserja.
Pri prenosu tega koncepta za frekvenčno stabilizacijo diodnih laserjev je bilo v ospredju oblikovanje lastnosti FBG tako, da diodni laser oddaja le želeno valovno dolžino. Klein ni več zasledovala cilja maksimizirati reflektivnost FBG. Namesto tega je ciljno prilagodila lastnosti FBG, da bi optimizirala spektralne lastnosti sevanja diodnih laserjev, na primer za aplikacije črpanja.
Podelitev nagrade Hugo-Geiger
Za multimodalne lase so bila optična zasnova FBG ter njihovo neposredno vpisovanje v proces UKP-laserja doslej slabo raziskana. To je sveže nagrajena prejemnica Hugo-Geigerjeve nagrade s svojo disertacijo »Faser-Bragg-Gitter za frekvenčno stabilizacijo multimodalnih visoko zmogljivih laserskih diod in vlakenskih laserjev« spremenila enkrat za vselej. »Zelo sem vesela te pomembne nagrade! Pokaže mi, da sem imela prav, ko sem svojo idejo prenesla na druge laserske vire, ki so bili prej zasnovani za enomode vlakenske lase,« pojasnjuje Klein.
Poleg te potrditve s strani ugledne nagrade uživa tudi na njenem inštitutu popolno priznanje za svoje raziskave. »Čestitamo dr. Sarah Klein za to nagrado, ki poudarja visoko znanstveno kakovost njenega dela. Na podlagi pridobljenih spoznanj bodo v prihodnje pri multimodnih diodnih laserjih lahko opustili zunanje optične elemente, kar bo zmanjšalo kompleksnost sistema, stroške montaže, dovzetnost za motnje in stroške. Hkrati nova možnost spektralne stabilizacije teh svetlobnih virov širi njihovo potencialno uporabo – bodisi kot visoko učinkovite črpalne vire bodisi kot svetlobne vire za komunikacijsko tehnologijo, senzoriko in neposredno lasersko obdelavo materialov v industrijski proizvodnji,« je dejal dr. Jochen Stollenwerk, začasni vodja Fraunhofer ILT.
SVET FOTONIKE KONGRES 2025 v Münchenu
Več o najnovejših razvoju visokozmogljivih diodnih laserjev lahko zainteresirani izvejo na kongresu WORLD of PHOTONICS od 22. do 27. junija 2025 v Münchnu. Tam bo dr. Klein 26. junija ob 15. uri moderiral aplikacijski panel »Visokozmogljivi diodni laserji – nove mejnike v moči, spektru in učinkovitosti«.
Kontakt:
